基于桥梁结构损伤的智能监测系统研究

基于桥梁结构损伤的智能监测系统研究

周元浩

重庆交通大学，重庆 400074

摘要：近些年来，我国公路桥梁发展十分迅速，数量已经位居世界第一，但面临着逐年增多的桥梁灾害问题，以及人们对于桥梁服务的需要不断提高，桥梁智能监测开始受到了人们的重视和发展。在此基础上，文章阐述了桥梁监测的原理，分析了桥梁智能监测内容和监测点的布设，探究了桥梁智能监测系统预警模块的预警方法，指出目前桥梁智能监测系统存在的问题。

关键词：智能监测系统；监测内容；监测点布设；监测预警方法；存在问题

引言

近些年来，我国公路桥梁的发展十分迅速，相关数据显示，我国的公路桥梁的数量已经位居世界第一，桥梁在数量上占据了绝对优势。我国公路桥梁发展快但基础却薄弱，一方面是早期建造的桥梁对目前交通量的适应性不足，且早期桥梁的设计技术不够成熟，形成了桥梁的先天不足；另外一方面是由于桥梁饱和度的不断增加，政府财政负担大，面临管理养护的资金投入压力也逐步增大，因此对于桥梁的管理和养护一直无法得到充分地重视。但随着国内桥梁灾害逐渐增多，如新疆孔雀河大桥由于吊杆钢缆腐蚀断裂造成桥面塌陷、北京市宝山寺白河桥由于货车超载而导致桥梁坍塌；同时，社会对于桥梁服务的关注度和需求量迅速增加；因此，正确的认识桥梁的发展规律刻不容缓。

1桥梁智能监测的原理

桥梁智能监测理念就是对桥梁的各部分结构进行无损伤检查，实时的监测桥梁结构的状况，对其损伤的结构以及损伤的程度进行检查和评估，对桥梁的服役情形、耐久性、可靠性以及承载能力进行专业化和智能化的评价，对桥梁各部分结构运营异常情况及时进行报警预测，为桥梁的管理、养护、维修提供客观的、具有参考性的、数据性的建议[1]。桥梁监测的基本原理就是在桥的各个部位放置相应的传感器，通过传感器，将监测到的桥梁数据上传给智能监测平台，平台对数据进行分析，实时了解和知晓桥梁的现状，如桥梁变形的大小、梁上荷载的波动范围。当待测结构受到激励时，传感器网络将对信号进行采集和预处理，随后把预处理好的相关数据传输给智能监控中心，监控中心将传输过来的数据进行正式处理，通过安全评估的结构就可以继续使用，存在损伤的结构系统会发出预警，专业桥梁管养员及时对桥梁具体结构进行检查和维修。

2桥梁智能监测内容和监测点的布设

目前桥梁智能监测系统的内容包括荷载监测（风荷载、温度荷载、地震荷载、交通荷载等）、桥梁结构各部分的静态位置以及静态位移的检测、桥梁结构的静力和动力反应检测、非结构部件和辅助设施如支座的检测[2]。其中主梁的监测是一个极为重要的部分，系统实时监测主梁的挠度、应力应变、温度以及主梁的振型、频率、阻尼比等参数。

在桥梁通车运行之后，需要连续或者间断的监测着桥梁各结构的应力、变形等状态，争取使桥梁信息完整和连续。传感器具有快速采集较大样本信息、处理样本信息，实现样本信息网络共享的能力[3]。传感器的监测能力是得到了时间的检验的，被广泛用于桥梁监测中，对于不同部位的结构，有对应的传感器进行专业监测。在监测点的布设中传感器的布置和优化是一个重要内容。经典传统的传感器布设和优化方法有有效独立法、模态动能法等；而近些年来随着智能优化算法如遗传优化算法、粒子群优化算法等迅速兴起和发展。目前在传感器的优化布设正朝着经典理论与智能优化算法联合的方向发展。

3桥梁智能监测系统预警模块

在研究桥梁智能监测预警模块的设计时，要根据监测结构的特性选择适当的预警方法来设计预警系统和预警流程，尽量做到经济与实惠。很多学者已经研究出了诸多桥梁智能监测预警设计的方法：吴海军[4]等人提出了一种长期监测桥梁结构的“零活载点”的方法，通过将“灵活载点”作为基准来进行检测，减少了系统误差和累计误差的影响，同时筛选出有效的数据进行评估；任普[5]等人提出了一种桥梁健康监测预警平台，考虑了桥梁变形、服役年限等诸多因素影响下实时进行桥梁结构安全评估和预警工作；刘枝辰[6]等人介绍了基于声发射技术、无线传感网技术和GPS 技术在桥梁结构健康监测中的运用。下面介绍通过比较恒载和活载与基准条件下的差异的两种预警方法来分析桥梁结构的稳定性、安全性和耐久性等三方面的性能：首先可以通过比较恒载条件下的桥梁结构状态与基准状态的变化或者偏差来评估桥梁的结构性能。目前很多桥梁的监测系统都是桥梁建立之后安装上去的，其基准状态就是在均匀温度和无活载干扰下的初始监测数据。当然恒载和活载和比例以及大小都会影响这种方法的精确性，因为有些桥梁结构就算出现开裂等情况，卸掉活载后，恒载较小时也处于正常的稳定状态；其次是可以通过比较活载条件下的桥梁结构状态与合理设计状态的变化或者偏差来评估桥梁的结构性能。应用此方法时，需要采集大量的样本数据作为分析支撑，因为如果数据过少，可能会错过一些较大活载显著影响的数据。

4桥梁智能监测系统存在的问题

桥梁智能监测过程中存在着许多问题，首先是传感器上传到监测平台的数据的上下限很难建立和确定，就算是获得长期的数据，在分析过程中也会面临着数据的上限范围和下限范围不确定的问题，如何确定数据的正常范围，又如何采取合理的方法来规定数据上下限的边界，这些问题都是目前智能监测系统面临的难关和挑战；其次是桥梁的智能监测系统没有标准化，很多地方的监测标准不一致，构件的平台和数据库也不统一，尤其是当数据出现异常时，由于标准不一致，没法肯定桥梁有问题。当数据显示正常时，也不能确定桥梁各方面都没有问题；对于异常数据来源的探究和分析也是一个难题，主要问题是无法准确判断异常数据究竟是由于什么因素引起的，是由一个因素还是几个因素引起，各因素之间有没有联系和相关性；还有就是对于数据的处理各有各的处理方法与经验，各单位和公司之间的监测数据没有相互交流，存在较大的行业壁垒。

5总结

我国桥梁行业发展如此快速，但桥梁行业的基础却相对薄弱，随着桥梁灾害的日益增多，人民对于桥梁服务的需求不断提高，在此基础上，桥梁的智能健康监测逐渐受到了人民的重视和发展。文章简单阐述了桥梁智能监测的原理、桥梁智能监测内容和监测点的布设，分析了桥梁智能监测系统预警模块的预警方法；同时简要说明了通过比较恒载和活载与基准条件下的差异来分析桥梁结构的稳定性、安全性和耐久性等三方面的性能。

参考文献

[1]邬晓光, 徐祖恩. 大型桥梁健康监测动态及发展趋势[J].长安大学学报(自然科学版),2003(01):39-42.

[2]张启伟. 大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J]. 同济大学学报(自然科学版),2001(01): 65-69.

[3]吴海军, 韦跃, 黄友帮, 王身宁, 周志祥. 基于监测数据的连续刚构桥梁“零活载点”识别方法[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2013,32(S1):884-887.

[4]任普, 丁幼亮, 李亚东, 刘刚, 蔡曙日. 基于大数据的桥梁健康监测数据存储及预警方法[J].科学技术与工程, 2019, 19(12):266-270.

[5]刘枝辰, 俞腾, 谭力. 桥梁结构安全健康监测的技术方法探究[J].科技通报, 2013, 29(05):87-92.

[6]秦权. 桥梁结构的健康监测[J]. 中国公路学报, 2000(02):39-44.